DE972452C

DE972452C - Process for producing a vacuum-tight connection between ceramic and the metals aluminum, magnesium or their alloys

Info

Publication number: DE972452C
Application number: DEG16958A
Authority: DE
Inventors: George William Hume
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1954-04-22
Filing date: 1955-04-20
Publication date: 1959-07-23

Description

AUSGEGEBEN AM 23. JULI 1959ISSUED JULY 23, 1959

G 16958 IVc 180 bG 16958 IVc 180 b

oder deren Legierungenor their alloys

Es ist bereits ein Verfahren zur Verbindung von Keramik mit Aluminium bekannt, bei dem das Aluminiumwerkstück zuerst mit Kupfer oder Kadmium überzogen und dann mit dem metallisierten Keramikkörper verlötet wird. Solche offensichtlich mit Weichlot hergestellten Verbindungen können jedoch nicht stärkeren mechanischen oder thermischen Beanspruchungen ausgesetzt werden.A method for connecting ceramic with aluminum is already known, in which the aluminum workpiece first coated with copper or cadmium and then soldered to the metallized ceramic body. Such obvious However, connections made with soft solder cannot be stronger mechanical or thermal Are exposed to stresses.

Ein weiteres bekanntes Verfahren besteht darin, daß auf der Oberfläche des Keramikkörpers eine Metallschicht aus Zirkonium oder Titan durch Dissoziation von, Zirkonhydrid oder Titanhydrid niedergeschlagen und diese Metallschicht sodlamn, mit einem Lötmittel überzogen wird. Im USA.-Patent 2570248 der Anmelderin ist ein, Verfahren beschrieben, bed dem als Metallschicht eine Mischung aus Metallhydriden und einem Lötmittel verwendet wird; an diese.Sdhicht kann ein anderes Metall angelötet werden¹. Die bekannten Verfahren sind zur Bindung eimer ganzen Reihe von Metallen an Keramik geeignet. Jedoch hat es sich, herausgestellt, daß sie darum nicht brauchbar sind, wenn es gilt, eine vollkommen gas- oder vakuumdichte Verbindung oder Verschmelzung zwischen Keramiikkörpern und Metallen¹, wie z. B. Aluminium oder Magnesium, herzustellen. Vielmehr scheint in diesen Fällen die Bindung des Metalls, an die Metallschicht mangelhaft und damit eine gas- oder vakuumdichte Verschmelzung unmöglich zu sein, Folglich wurden bisher umständ-Another known method is that a metal layer of zirconium or titanium is deposited on the surface of the ceramic body by dissociation of zirconium hydride or titanium hydride and this metal layer is coated with a solder. US Pat. No. 2,570,248 to the applicant describes a process in which a mixture of metal hydrides and a solder is used as the metal layer; Another metal can be soldered to this layer ¹ . The known methods are suitable for bonding a whole range of metals to ceramics. However, it has been found that they are therefore not useful when it comes to a completely gas- or vacuum-tight connection or fusion between ceramic bodies and metals ¹ , such as. B. aluminum or magnesium. Rather, in these cases the bonding of the metal to the metal layer seems to be deficient and thus a gas- or vacuum-tight fusion is impossible.

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liehe Maßnahmen getroffen, um eine Anordnung zu schaffen, mit deren Hilfe sich, die genannten Metalle dennoch mit dem Keramikkörper verbinden ließen Zum Beispiel besteht ein bekanntes. Verfahren zur Herstellung einer gas- oder vakuumdichten Aluminium-Keramik-Verbindung darin, daß zwischen dem Keramikkörper selbst und dem Aluminium mehrere Metalle eingebaut werden, um auf diese Weise eine gasdichte¹ Verschmelzung zu gewinnein·. ίο Bei diesem Verfahren wird auf dem Keramikkörper in bekannter Weise eine Schicht aus Zirkonium, Titan oder eine Mischung aus diesen beideni Metallen zubereitet. Diese Metallschicht wird mit einem Kupfer-Silber-Lot überzogen, und mit diesem Lot wird wiederum eine 42°/oige Nickel-Eisen-Legierung verbunden. Sodann wird Kupfer mit dieser Nickel-Eisen-Legierung z. B. durch Schweißen verbundien, und anschließend wird Aluminium auf das Kupfer aufgeschweißt. Sodann wird eine Aluminiumao legierung, die kleine Mengen an Silicium enthält, auf die erste Aluminiumschicht aufgeschweißt. Die vollkommene Abdichtung wird schließlich dadurch gewonnen, daß man- auf die Aluininium-Silicium-Legierung eine weitere Aluminiumschicht aufschweißt. Borrowed measures taken to create an arrangement with the help of which the metals mentioned could still be connected to the ceramic body. For example, there is a known one. Process for producing a gas- or vacuum-tight aluminum-ceramic connection in that several metals are incorporated between the ceramic body itself and the aluminum in order to obtain a gas-tight ¹ fusion in this way. ίο In this process, a layer of zirconium, titanium or a mixture of these two metals is prepared on the ceramic body in a known manner. This metal layer is covered with a copper-silver solder, and a 42% nickel-iron alloy is in turn connected to this solder. Then copper with this nickel-iron alloy z. B. verbundien by welding, and then aluminum is welded onto the copper. An aluminum alloy containing small amounts of silicon is then welded onto the first aluminum layer. The perfect seal is finally achieved by welding another aluminum layer onto the aluminum-silicon alloy.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache gas- oder vakuumdichte Verschmelzung zwischen einem Keramikkörper und· einem Metall, wie Aluminium oder Magnesium, zu schaffen;: Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer vakuumdichten Verbindung von Keramik mit den Metallen Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen, bei dem auf einen Keramikkörper eine Schicht aus Zirkon oder Titan aufgebracht und auf diese Schicht wiederum eine Lötmittelschicht, beispielsweise aus Silber oder einer Kupfer-Silber-Legierung, aufgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminium, Magnesium oder dieAluminium-Magnesium-Legierung auf die Lötmittelschicht aufgegossen und damit in situ auflegiert wird.The purpose of the present invention is to create a simple gas- or vacuum-tight fusion between a ceramic body and a metal such as aluminum or magnesium to create: According to the invention is a method for producing a vacuum-tight connection of ceramic with the metals aluminum, magnesium or their alloys, in which on a ceramic body a layer of zirconium or titanium is applied and another layer on top of this Solder layer, for example made of silver or a copper-silver alloy, melted is characterized in that the aluminum, magnesium or the aluminum-magnesium alloy is poured onto the solder layer and thus alloyed in situ.

Auf den Keramikkörper, mit dem die genannten Metalle gas- oder vakuumdicht verbunden werden sollen, wird also zunächst eine Schicht aus einem Metall, wie Zirkon oder Titan, gebildet. Auf die erste Metallschicht wird eine Schicht aus einem Lt" mittel, z. B. Silber oder Silber-Kupfer-Legierung, aufgebracht. Das Lötmittel, das einen höheren Schmelzpunkt als das mit dem Keramikkörper zu 5c verbindende Aluminium oder Magnesium besitzt, legiert sich mit der Schicht aus Zirkonium, Titan usw. und bildet so eine metallische Zwischenschicht, die fest an den Keramikkörper gebunden ist. Das Endmetall, z. B. Aluminium, wird sodann auf die metallische Zwischenschicht aufgegossen und in situ auflegiert, und zwar zweckmäßigerweise so, daß es über die Zwischenschicht hinausgreift. Als Resultat erhält man eine gas- oder vakuumdichte Verschmelzung zwischen dem Keramikkörper und dem Aluminium oder Magnesium. Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung im einzelnen beschrieben werden. In der Zeichnung zeigtOn the ceramic body with which the metals mentioned are connected in a gas-tight or vacuum-tight manner a layer of a metal such as zirconium or titanium is first formed. on the first metal layer is a layer of a Lt "medium, e.g. silver or silver-copper alloy, upset. The solder that has a higher melting point than that with the ceramic body too 5c has connecting aluminum or magnesium, alloys with the layer of zirconium, titanium etc. and thus forms a metallic intermediate layer that is firmly bonded to the ceramic body is. The final metal, e.g. B. aluminum, is then poured onto the metallic intermediate layer and alloyed in situ, expediently in such a way that it extends beyond the intermediate layer. The result is a gas- or vacuum-tight fusion between the ceramic body and the aluminum or magnesium. The invention will now be described in detail with reference to the drawing. In the drawing shows

Fig. ι die Anwendung der Erfindung auf eine Keramikbuchse oder -hülse undFig. Ι the application of the invention to a ceramic socket or sleeve and

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt der Anordnung nach Fig. 1, gesehen in Richtung der Pfeile 2-2.FIG. 2 shows an enlarged partial section of the arrangement according to FIG. 1, viewed in the direction of FIG Arrows 2-2.

In Fig. ι ist eine Keramikbuchse, oder -hülse gezeigt, die mit einer Hülse oder einem Ring 2 aus Aluminium oder Magnesium oder Mischungen oder Legierungen dieser beiden Metalle verbunden werden soll.In Fig. Ι a ceramic socket or sleeve is shown, those with a sleeve or a ring 2 made of aluminum or magnesium or mixtures or Alloys of these two metals should be connected.

Der Begriff »Keramik« oder »Keramikkörper« umfaßt im vorliegenden Falle neben den gewöhnlich unter diesem Namen bekaininten nicht metallischen, feuerfesten Materialien auch solche Materialien wie Glas, Porzellan, Diamant, Graphit u, dgl.The term "ceramic" or "ceramic body" includes in the present case in addition to the usual under this name are known non-metallic, refractory materials including such materials as glass, porcelain, diamond, graphite and the like.

Erfindungsgemäß wird auf den gesäuberten Keramikkörper zunächst eine metallische Zwischenschicht aus Zirkonium oder Titan oder eine Schicht aus Legierungen oder Mischungen dieser Metalle aufgetragen. Diese Schicht hat eine solche Ausdehnung, daß ihr Rand zweckmäßigerweise von der endgültigen, durch Gießen herzustellenden. Metallschicht überlappt wird. Das Auftragen kann auf verschiedene Weise erfolgen. Zum Beispiel kann ein metallisches Hydrid^ wie das des Titans oder Zirkoniums oder einer Mischung oder Legierung dieser Metalle, in Pulverform auf den gewünschten Teil des Körpers aufgebracht und: dort in bekannter Weise dissoziiert werden, so daß eine metallische Schicht erhalten wird, die, wenn ein Lötmittel aufgetragen, flüssig gemacht und mit dem Titan oder Zirkon legiert wird:, den Keramikkörper benetzt und an diesen gebunden wird. Etwas bequemer ist es vielleicht, wenn man eine Suspension des Metallhydrids in einem Bindemittel und Lösungsmittel herstellt und diese Suspension auf den zu metallisierenden Keramikkörper aufstreicht. Eine derartige Suspension bann dadurch hergestellt werden, daß man. die verwendeten. Substanzen im Verhältnis von 3 oder 4 g Metallhydrid zu einem oder zwei Tropfen eines Zellulosenitraitlackes und ungefähr 2 bis 3 ecm eines Lösungsmittels, wie Amylazetat, mischt. Die erhaltene Suspension wird sodann, in Form eines zusammenhängenden Films auf den Keramikkörper z. B. mit einer Bürste oder einer anderen geeignieten Vorrichtung aufgetragen. Die Schichtdicke des. Films kann etwa 0,025 mm betragen. Die auf den Keramikkörper aufgebrachte Metallhyd'ridrruischung wird sodann in ein, Vakuum oder eine Atmosphäre, die mit dem Hydrid nicht reagiert, wie Wasserstoff, Helium oder Argon., gebracht. Das Hydrid wird einige Minuten lang auf über 500⁰ C erhitzt. Man kann jedoch auch höhere Temperaturen verwenden;, denn bei der Erhitzung handelt es sich um einen Zeit-Temperatur-Prozeß. Allerdings dissoziieren die obenerwähnten Metallhydride bei ungefähr 500⁰ C. Nach der geschilder- iao ten· Behandlung bleibt auf dem Keramikkörper eine erste Metallschicht zurück, die aus Zirkonium oder Titan oder einer Legierung aus. diesen beiden oder inem dieser beiden Metalle, je nachdem welche Ausgangsmaterialien man verwendet, besteht. Lediglich derjenige Teil des Keramikkörpers, derAccording to the invention, a metallic intermediate layer made of zirconium or titanium or a layer made of alloys or mixtures of these metals is first applied to the cleaned ceramic body. This layer has such an extent that its edge is expediently different from the final one to be produced by casting. Metal layer is overlapped. The application can be done in different ways. For example, a metallic hydride such as that of titanium or zirconium or a mixture or alloy of these metals, applied in powder form to the desired part of the body and: dissociated there in a known manner, so that a metallic layer is obtained which, if a solder is applied, made liquid and alloyed with the titanium or zirconium: the ceramic body is wetted and bonded to it. It is perhaps a little more convenient if one prepares a suspension of the metal hydride in a binder and solvent and spreads this suspension onto the ceramic body to be metallized. Such a suspension can be produced by. the used. Substances in the ratio of 3 or 4 g of metal hydride to one or two drops of a cellulose nitrate lacquer and about 2 to 3 ecm of a solvent such as amyl acetate. The suspension obtained is then, in the form of a cohesive film on the ceramic body z. B. applied with a brush or other suitable device. The layer thickness of the film can be approximately 0.025 mm. The metal hydride mixture applied to the ceramic body is then placed in a vacuum or an atmosphere that does not react with the hydride, such as hydrogen, helium or argon. The hydride is ^{heated to over 500 °} C. for a few minutes. However, higher temperatures can also be used, because heating is a time-temperature process. However, the above-mentioned metal hydrides dissociate at approximately 500 ⁰ C. After geschilder- iao ten · treatment remains on the ceramic body a first layer of metal back, consisting of zirconium or titanium or an alloy. these two or one of these two metals, depending on the starting materials used. Only that part of the ceramic body that

tatsächlich, vom Hydrid überzogen ist, wird metallisiert, wobei das Metall nicht über die ursprüngliche Ausdehnungsgrenze des Hydrids hinauskrieciht oder sich ausbreitet.in fact, coated with hydride, is metallized, wherein the metal does not creep beyond the original expansion limit of the hydride or spreads.

Die folgende Schicht, die aus einer Silber- oder Silber-Kupfer-Legierung oder einem anderen bekannten Lötmittel, das einen höheren Schmelzpunkt als das zu verbindende Aluminium oder Magnesium besitzt, besteht, wird ebenfalls auf dieThe following layer, made of a silver or silver-copper alloy or another known Solder that has a higher melting point than the aluminum to be joined or Magnesium possesses, insists, is also on the

ίο erste Metallschicht aufgetragen. Das Lötmittel legiert sich mit der Zirkonium- oder Titanschicht und bildet eine metallische Zwischenschicht 3. Die entsprechendem Lötmittel sind dem Fachmann wohlbekannt. Die Lötschicht wird zweckmäßigerweiseίο first metal layer applied. The solder alloys with the zirconium or titanium layer and forms a metallic intermediate layer 3. The appropriate solder are well known to those skilled in the art. The solder layer is expedient

»5 während der Bildung der ersten Metallschicht auf diese aufgeschmolzen. Auf diese* Weise wird ein Ring aus Lötmittel genau über demjenigen Teil des vertikal gelagerten Keramikkörpers fixiert, der vom Metallhydnid überzogen ist. Beim Erhitzen auf ungefähr 500⁰ C oder darüber dissoziiert das Hydrid und läßt die erste Metallschicht zurück, auf die der Lötmittelring bei Erhöhung der im System herrschenden. Temperatur aufschmilzt, wodurch die metallische; Zwischenschicht, die aus einer Legie-»5 melted onto this during the formation of the first metal layer. In this way, a ring of solder is fixed exactly over that part of the vertically mounted ceramic body that is covered by the metal hydride. When heated to about 500 ^° C. or above, the hydride dissociates, leaving the first metal layer on which the solder ring increases as the levels in the system increase. Temperature melts, causing the metallic; Intermediate layer made of an alloy

⁸S rung des Lötmittels mit der ersten Metallschicht aus Zirkonium, Titan usw. besteht, gebildet wird. Um das Aluminium oder Magnesium auf dem Keramikkörper bzw. die metallische Zwischenschicht 3 aufzugießen, wird ein Haltetopf oder eine Form 4 hergerichtet und so über den Keramikreil gestülpt, daß das geschmolzene Metall festgehalten wird. Die Form 4 besteht z. B. aus Kohle, die zweckmäßigerweise vor der Benutzufng mit Hilfe eines beliebigen', bekannten Verfahrens entgast worden ist. Sodann wird ein Stück des zu verbindenden Metalls, das hier in Form eines Ringes 2 gezeigt ist, in. die aufgepaßte Form gebracht, wobei zweckmäßigerweise darauf zu achten ist, daß der bindende Metallring über die Ränder der Lotschicht und der metallischen Zwischenschicht hinausragt. Die Anordnung wird sodiann im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre, z. B. in Helium oder Argon, so lange erhitzt, bis das Aluminium oder das anderweitige Metall geschmolzen ist und sich mit der metallisierten Keramikoberfläohe. legiert hat. Handelt es sich bei dem verwendeten Metall um Aluminium, so genügt für die Erhitzung eine Temperatur von ungefähr 660 bis 750⁰ C, obwohl auch in diesem Falle der Schmelzzyklus nach einer Zeit-Temperatur-Beziehung abläuft. Jedoch ist darauf zu achten, daß die Temperatur nicht so hoch ist, daß das Metall in merklichem Ausmaß verdampft. Aluminium z. B. verdampft im Vakuum bei ungefähr 8oo° C. Die hergestellte Metall-Keramik-Verschmelzung¹ wird sodann im Vakuum oder in einem inerten Gas gekühlt. Die Kohleform 4 wird entfernt, worauf ein. Keramikkörper 1 zurückbleibt, mit dem ein Metallteil 2 aus Aluminium oder Magnesium fest und; gas- oder vakuumdicht verbunden oder verschmolzen ist Ragt das verbundene Metall 2 über die metallische Zwischenschicht hinaus, und ist ein Metall verwendet worden, das einen größeren Ausdehnungskoeffizienten hat als der Keramikkörper, so preßt sich die aufgeschmolzene Metallkonstruktion fest gegen dien Keramikkörper, wodurch verhindert wird, daß unter die Metallkonstruktion Feuchtigkeit eintreten und galvanische Korrosionen hervorrufen kann. In Fällen, wo ein besonderer Schutz gegen derartige galvanische Wirkungen nicht notwendig ist, braucht das gegossene Metall nicht über die metallische Zwischenschicht hinausragen.. Es hat sich gezeigt, daß durch das. Verfahren auf den. Keramikkörper eine absolut, vakuum- oder gasdichte Verschmelzung zwischen dem Keramikkörper und der damit verschmolzenen Metallkonstruktion geschaffen wird und' diese Verschmelzung in solchen Fällen sehr gut geeignet ist, wo es auf eine vakuum- oder gasdichte Verbindung ankommt. Eine solche Verschmelzung läßt sich bei den beschriebenen Materialien ausschließlich dadurch erreichen, daß man das Metall in der oben beschriebenem) Weise auf den Keramikkörper aufgießt. ⁸ S tion of the solder with the first metal layer made of zirconium, titanium, etc. is formed. In order to pour the aluminum or magnesium onto the ceramic body or the metallic intermediate layer 3, a holding pot or a form 4 is prepared and placed over the ceramic rail in such a way that the molten metal is held in place. The form 4 consists z. B. from coal, which has expediently been degassed prior to use with the help of any ', known method. Then a piece of the metal to be connected, which is shown here in the form of a ring 2, is brought into the fitted shape, whereby it is expedient to ensure that the binding metal ring protrudes beyond the edges of the solder layer and the metallic intermediate layer. The assembly is then placed in a vacuum or in an inert atmosphere, e.g. B. in helium or argon, heated until the aluminum or other metal has melted and is with the metallized ceramic surface. has alloyed. If the metal used is aluminum, a temperature of approximately 660 to 750 ^° C. is sufficient for heating, although in this case too the melting cycle takes place according to a time-temperature relationship. However, care must be taken that the temperature is not so high that the metal evaporates to a noticeable extent. Aluminum e.g. B. evaporated in a vacuum at about 8oo ° C. The produced metal-ceramic fusion ¹ is then cooled in a vacuum or in an inert gas. The carbon form 4 is removed, whereupon a. Ceramic body 1 remains with which a metal part 2 made of aluminum or magnesium solid and; is connected or fused in a gastight or vacuum-tight manner If the connected metal 2 protrudes beyond the metallic intermediate layer, and if a metal has been used that has a greater coefficient of expansion than the ceramic body, the melted metal structure presses itself firmly against the ceramic body, which prevents that moisture can enter under the metal structure and cause galvanic corrosion. In cases where special protection against such galvanic effects is not necessary, the cast metal does not need to protrude beyond the metallic intermediate layer. It has been shown that the process on the. Ceramic body an absolute, vacuum- or gas-tight fusion is created between the ceramic body and the metal structure fused therewith and 'this fusion is very well suited in those cases where a vacuum or gas-tight connection is important. In the case of the materials described, such a fusion can only be achieved by pouring the metal onto the ceramic body in the manner described above.

Die Erfindung läßt sich nicht nur in solchen Fällen verwenden, wo das mit dem Keramikkörper zu verbindende Metall Aluminium ist, sondern man kann anstatt des. Aluminiums auch Magnesium' benutzen, wobei etwaige Unterschiede in den Schmelzpunkten und Verdampfungseigenschaften zwischen Alumimium und Magnesium entsprechend zu berücksichtigen sind.The invention can not only be used in cases where the ceramic body the metal to be joined is aluminum, but instead of aluminum, magnesium can also be used, with any differences in melting points and evaporation properties between aluminum and magnesium must be taken into account accordingly.

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Process for producing a vacuum-tight connection between ceramics and metals Aluminum, magnesium or their alloys, whereby a ceramic body has a. Layer of zirconium or titanium applied and on this layer in turn a layer of solder, for example made of silver or a Copper-silver alloy, is melted, characterized in that the aluminum, Magnesium or the aluminum-magnesium alloy is poured onto the solder layer and is thus alloyed in situ.

2. The method according to claim 1, characterized by the use of a solder layer, which has a higher melting point than the metal to be poured on.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the metal is poured on becomes that it extends beyond the solder layer.

1 sheet of drawings